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科工力量| 中国x86处理器发展现状:一半是海水,一半是火焰?

2019-07-03 07:52:09
导读
在与兆芯合作的威盛x86授权到期,以及AMD中止对海光x86 IP授权后,上海兆芯和天津海光成为国产x86处理器的“绝代双骄”。然而,美国政府仍然将海光及其关联公司列入“实体清单”,予以打压。如此,兆芯在寻求CPU技术突破及升级迭代时,似乎也需要预备授权问题以及国际政治方面风险。

【文/科工力量专栏作者 陈兴华】

自2013年起,中国相继诞生了两家具备开发x86架构处理器的公司——上海兆芯和天津海光,二者分别与台湾威盛(VIA)和美国AMD公司达成技术授权等合作。然而就在他们研发及商用“蒸蒸日上”之际,天津海光首先遭到了美国政府方面的钳制。

当地时间6月21日,美国商务部工业和安全局(BIS)发布公告称,将把中科曙光、成都海光集成电路设计、成都海光微电子技术、天津海光信息技术公司和无锡江南计算技术研究所列入“实体清单(Entity list)”。而理由是五家中企从事涉及与美国国家安全、外交利益相悖的活动。

简单而言,进入“实体清单”的企业将遭到美国方面的技术封锁及其参与的部分国际供应链“隔离”。BIS的决策自6月24日正式公布生效,而在23日晚间,中科曙光发布公告称,其股票、曙光转债及曙光转股自6月24日开市起停牌,最迟于7月1日复牌。并表示公司正在核实相关内容,全面评估被列入“实体清单”事件对公司可能产生的影响。

国家超级计算深圳中心曙光“星云”超级计算机

据了解,中科曙光的上游包括芯片、存储等硬件设备制造业及软件行业。其中,具有较大影响力的英特尔(Intel)、AMD、希捷等均为美国企业。中科曙光2014年披露的招股书显示,英特尔、AMD均在前五大供应商之列。而根据2018年年报,中科曙光前五名供应商采购额为50.94亿元,占其年度采购总额的63.05%。

在美国商务部看来,中科曙光、无锡江南计算技术研究所和国防科技大学领导着中国超算的发展。早在2015年,奥巴马政府就宣布将与“天河二号”相关的国防科技大学及国家超算天津、长沙、广州中心列入“实体清单”,并禁止英特尔等向中国出售超算芯片。当时的理由是“该超算可用于核爆活动”。

如今,美国此次制裁同样被认为针对中国超算领域明显。在研发制造曙光超算系列的中科曙光、神威系列系统研发方江南计算技术研究所被列入“实体清单”之后,中国超算巨头已全部受到美国政府方面祭出的制裁。不过可喜的是,中国超算已具备处理器、网络芯片组、存储和管理系统等核心器件全部国产化的能力。其中尤以神威·太湖之光为代表。

据悉,天津海光成立于2014年,股东包括曙光和中国科学院。2016年,英特尔的老竞争对手AMD与天津海光设立合资公司,向其提供x86架构芯片技术许可,开发只在中国销售的服务器芯片。两家合资公司分别是AMD占股51%的成都海光微电子和天津海光占股70%的成都海光集成电路设计公司。

值得注意的是,海光x86芯片被曝出早前已顺利出货,去年营业收入达到1.13亿元,净亏损3571万元。申万宏源此前预计,天津海光有可能在今年盈亏平衡。而在中科曙光方面,该公司2018年实现营收90.56亿元,净利润4.3亿元,同比增速均达到约40%。业绩正处于加速增长态势。

中科曙光近三年营业收入和净利润报表

对于美国禁令的影响以及应对措施,中科曙光回应表示,“公司进入美国出口管制‘实体清单’,我们感到震惊并深表遗憾”。这影响了公司的日常运营,也影响了与全球合作伙伴的正常合作。美国所做出的决定缺乏事实依据,也不符合各方利益。曙光将积极与相关机构沟通,以降低事件造成的影响。

目前,从中国x86技术布局来看,天津海光与AMD成立的合资公司业务主打高性能计算的服务器芯片,而上海兆芯与威盛合资研发的x86架构CPU主要定位在桌面级处理器领域。而由于AMD已中止对海光x86 IP授权,以及美国政府方面掣肘,海光处理器将面临一定考验。与此同时,上海兆芯的竞逐同样是重要议题。

承接“核高基”01专项

2006年,国家中长期科技发展规划纲要(2006—2020)中提出了实施十六个专项,“核高基”规划是当时规划的十个专项中的第一个,肩负着解决我国最重要的核心电子器件、高端芯片和基础软件的关键核心技术。为此,中央财政为“核高基”重大专项安排预算328亿元,加上地方财政以及其他配套资金,预计总投入将超过1000亿元。

“核心电子器件、高端通用芯片及基础软件”专项曾被喻为当年有“两弹一星”,现在是“两件一芯”。据悉,曾有一位高层官员表示,如果说“两弹一星”当年大大提高了中国的国际地位,那么在当今世界,独立的微电子、软件和计算机产业体系就是当代大国的重要标志。

2018年9月18日,国务院副总理刘鹤到上海兆芯视察工作

中央处理器被认为是“核高基”攻关的重中之重。然而,十一五期间,在自主研发CPU的路线上,既有厂商强调核心数量而忽略了单线程性能的提升,也有对自主CPU的投入不足。廖湘科院士于2016年在中科院北京计算所的一次讲话中指出,“过去十多年里国家对(龙芯、申威、飞腾)总计投入20亿,而且还是三家分。”

不过,采用MIPS、Alpha、SPARC自主指令集的龙芯、申威、飞腾仍在短时期内的“核高基”攻坚研发上取得较大突破,其CPU产品为部分重要国家机关、政府部门等采用,但在国内市场进行商用推广多年仍不太理想。原因在于CPU除了倚重性能之外,还要与目前居于市场主导的x86架构生态软件兼容。而问题就在于上述国产CPU通用处理性能不够,以及自建软件生态难度极大。

另一方面,根据海关总署的数据,2012年,中国集成电路进口额为1724.99亿美元,逆差达到1391亿美元。而到了2013年,集成电路进口额同比增长34.6%至2322亿美元,首度超越石油成为中国进口额最大品类。贸易逆差则同比增加50亿美元至1441亿美元,连续第四年扩大。值得注意的是,CPU的进口额在两千多亿美元的总进口额中占比最大。由此,国产商用处理器成为亟需跨越的一道坎。

于是,自2013年起,“核高基”开始尝试多种路线,其中包括支持引进国外CPU技术及现有处理器,并兼容成熟的应用生态。在引进技术的几个选项中,一个是ARM,华为、展讯、飞腾都选择了购买ARM指令集授权;另一个是IBM的power,江苏中晟宏芯拿下power的开发授权;第三个选项是x86,上海兆芯成为该架构首选。

2013年4月,上海兆芯集成电路有限公司宣告成立。其中,上海市国资委下属上海联和投资有限公司以2亿美元出资额占股80%,台湾威盛电子以4975万美元出资额占股20%。前者成立于1994年9月,主要从事高新技术产业和金融及现代服务业领域的股权投资及管理工作。

图中为兆芯研发的x86处理器

兆芯成立同时是“核高基”政策导向的变化。2013年5月3日,工信部网站正式发布了“核高基”重大专项实施管理办公室关于2014年课题申报指南的通知。“指南”中没有了“国产”、“自主创新”和“自主可控”等曾经作为民族信息产业旗帜的术语,取而代之的是“无知识产权纠纷”,“具有良好生态环境”,形成系列化知识产权“组合”的新说法。

2014年,兆芯承接“核高基”01专项,公司联合中科院上海高等研究院、联想集团、上海华力微电子承担了“核高基”国家科技重大专项“面向事务处理型桌面计算机关键软硬件研发与规模应用”课题任务,包括CPU、操作系统、整机、工艺四大部分初期投入的研发费用为57亿元。兆芯作为课题牵头单位,承担其中“安全可靠的桌面计算机CPU”子课题,投入的费用大约为30亿元。

可以看出,兆芯的成立并非偶然,而是在国产CPU发展方针变化下的某种必然。近年来,在国家“安全可控”工程计划中,一定政策指导下的国内厂商在ARM、MIPS、RISC-V、Alpha、Power以及x86等指令集及处理器方面,几乎把所有架构的CPU都摸索了一遍。这足以看到国家对于实现处理器等集成电路“突破核心技术创新”的决心和目标。

获威盛x86技术授权

兆芯目前的业务主要包括86芯片的研发,基于ARM公版设计的SOC研发,GPU的设计研发和芯片组的开发。其中,x86芯片是兆芯的核心业务。而该业务的发展与威盛的授权合作关系重大,威盛的x86授权则可以追溯至多年以前。

上世纪九十年代,为了避免电脑业务受到扼制及确保更稳定的供货来源,IBM要求英特尔将x86架构也授权给其他公司。当时为了不得罪IBM这个大客户,同时规避垄断问题,英特尔先后把x86架构授权给AMD、Cyrix、IDT、NEC等企业,其中AMD购买了x86扩展指令集授权。1999年,威盛通过收购Cyrix和IDT的处理器部门获得开发x86处理器的权利。

威盛电子股份有限公司人陈文琦、王雪红

威盛是由英特尔前员工陈文琦于1987年在美国加州硅谷Symphony公司中创立。成立初期,陈文琦从Symphony把员工送回台湾开始芯片制造,好友王雪红(2003年与陈文琦注册结婚)也积极参与了公司构建。1992年,威盛将总部迁移到台湾台北县新店市。此后王雪红成为公司董事长,而陈文琦任总经理。在威盛孵化下,王雪红于1997年再创办HTC。

威盛在千禧年之际达到巅峰。2000年,该公司收购S3图形部门,这不仅使其成为第三大显示芯片厂商,更成为第一家同时拥有CPU、GPU和芯片组的厂商。其间,威盛在当年成功获得了全球近一半的芯片组市场占有率,并以629元的高价荣登“股王”,缔造了1258亿元台币的市值。此外,威盛还积极引进各种总线、协议专利,掌握了大量核心技术。

但是树大招风,威盛随即陷入了专利战。2001年9月,英特尔起诉威盛的P4X266芯片组侵犯了其5项专利。几天后,威盛反诉英特尔的845芯片组侵犯了公司PC133 SDRAM内存专利。英特尔随后又追加起诉威盛的C3处理器侵犯了5项专利,要求禁售C3处理器。此外,英特尔还向主板厂商施压要求不得使用威盛芯片组,否则不报销并且加收专利罚金。威盛则立即表示若使用就报销一切专利费和罚金,并推出自有品牌原厂主板。

经过近两年的专利诉讼争端和博弈,2003年4月,英特尔和威盛正式达成和解。双方撤销了在5个国家提出的11次诉讼共27项专利争议,并且签署了为期十年的交叉授权协议。英特尔授权威盛销售C3系列X86处理器,及生产兼容英特尔处理器的芯片组等。然而,专利授权问题解决之后并没有让威盛迎来平静而良好发展,等待她的是更大波澜。

搭载C3处理器的威盛嵌入式主板

2004年,英伟达(NVIDIA)在市场上推出3DFX祖传技术SLI,这极大削弱了威盛芯片组的竞争力。而AMD于2006年收购ATI获得芯片组技术后,该公司和英特尔都开始主推自有芯片组,在Core i和APU时代,二者更进一步将原本属于北桥的所有功能都整合在CPU里面,不再开放芯片组授权。至此,第三方芯片的时代走到尽头,风头正盛的威盛、英伟达芯片组“戛然而止”。

由于CPU、GPU技术不及竞争对手导致市场表现不理想,以及芯片组业务遭遇重创后业绩下滑,威盛自2005年开始陷入连续多年的亏损。到了2015年9月,威盛与英特尔达成合作协议,后者出资1亿美元收购威睿电通的CDMA专利。这项出售让英特尔的基带实现了全网通功能同时也使得威盛实现了11年来首次“盈利”。而目前,威盛仍在亏损泥潭中。

业内人士曾表示,威盛这些年是靠HTC输血才活下来。然而,HTC如今也已然陨落。不过让威盛看见曙光的是,尽管其x86技术在C3、C7以及Nano处理器升级迭代至2009年后已基本停止研发,但大量知识产权仍有潜在市场空间。由于内地正对x86技术有较强需求,合作研发将有利于扭转其生存困境。

另外,陈文琦曾表示,“我一直有一个梦想——中国人也能做出最好的芯片。”实际上,威盛电子(中国)有限公司2000年于北京成立时,公司位于中关村清华科技园内的办公楼即叫做“中国芯大厦”。而目前,上海已建成中国集成电路产业的前沿阵地,且历来受台商、台资青睐。由此,威盛与上海市国资委旗下企业达成x86技术合作似在情理之中。

2000年,威盛电子(中国)有限公司于北京成立,图为中关村威盛“中国芯大厦”

不过,2010年8月,根据美国联邦贸易委员会(FTC)与英特尔就反垄断指控达成的和解协议,2003年4月威盛与Intel之间的诉讼和解协议将被延长至2018年4月。其中和解内容还包括要求英特尔调整其与AMD、威盛电子、英伟达达成的知识产权协议,以使这些公司拥有更多(能够考虑与其他公司合并或组建合资公司)的自由。

五年五次CPU迭代升级

兆芯的x86技术源自威盛,可谓走的是技术引进的道路。而在引进技术中,往往有这样一个过程——先贴牌仿制,再修改原始设计,最后在将引进的技术融会贯通后自主创新。2014年,兆芯推出了基于X86架构的处理器产品ZX-A,微结构为威盛的“以赛亚”。该芯片被认为实际上是威盛Nano,不过这对于刚刚成立的兆芯无可厚非。

2015年,根据“核高基”专项的要求,ZX-B必须要使用中国自主的工艺流片。而从结果上来看,兆芯及华力微电子没能做到,所以跳过了ZX-B转而开始研发ZX-C。不过,跳过ZX-B的真正原因曾被认为是国外IC设计公司对中国进行严格的技术封锁。

兆芯自主设计的开先ZX-C四核处理器于2016年实现了量产。其微结构为“以赛亚2”,采用28nm制造工艺,主频为2.0GHz、具备2MB高速缓存、功耗低至18W,此外兼容Windows、Ubuntu以及中科方德、中标麒麟、普华等国产操作系统。据透露,兆芯开先ZX-C很快实现了供应联想电脑,并通过政府采购,进入办公电脑市场。

兆芯开先KX-5000/开胜KH-20000系列CPU规格

2017年12月28日下午,兆芯正式发布了自主设计的基于“五道口”处理器架构,代号为ZX-D、正式型号为开先KX-5000系列的国产28nm x86处理器,该芯片面向桌面整机、便携终端和嵌入式设备。此外,兆芯还同时发布了面向服务器及存储设备的开胜KH-20000系列处理器,以及ZX-200IO扩展芯片。

兆芯ZX-D处理器由上海华力微电子流片,采用全新内核,最多拥有8个核心。IPC性能比上代提升25%,单芯片性能提升140%,内存带宽提升120%。基于业界先进的SoC架构,KX-5000和KH-20000系列CPU整合高性能集成显卡,兼容x86 32/64位指令集、SSE4.2/AVX指令集,支持双通道DDR4内存、CPU虚拟化、SM3/SM4国密算法以及9个PCI-E 3.0端口等。

产品发布之后,凭借兼容x86、生态较为完善等优势,采用兆芯CPU的国产整机成功进入到上海、安徽、福建、济南、武汉等政府采购目录。另外,在党政军等安全涉密的约5%的市场中,兆芯已成功占据了相对较大的比重。然而,95%公开市场几乎被英特尔垄断,兆芯另一个目标是在量大面广的办公电脑市场里逐步实现进口替代,并推出消费级产品。

2019年6月19日,兆芯正式发布新一代3.0GHz x86 CPU产品——开先ZX-E系列(即开先KX-6000和开胜KH-30000系列处理器)。官方称这是国内首款主频达3.0GHz的国产通用处理器,采用8核16nm工艺,由台湾台积电代工。据介绍,兆芯该系列处理器单颗SoC芯片包含了CPU、GPU和芯片组,具备高性能和低功耗的特点,适合PC、超极本、服务器和嵌入式计算等各种硬件平台。

兆芯开先KX-6000 x86处理器

其中,KX-6000主要面向PC市场,KH-30000主要面向服务器市场。据透露,兆芯新一代处理器已有数家PC平台完成了多款软件产品的兼容性认证和多个硬件产品的同步开发工作,已经能够实现批量供货。搭载这两款芯片的整机产品最先会在党政机关、金融、能源、交通等关键行业进行应用与推广。

兆芯副总经理罗勇博士表示,由于KX-6000/KH-30000系列处理器采用单核SoC设计,芯片集成度进一步增强,性能提升50%,能耗比较兆芯的上一代产品提升了3倍,能够带来更具效率的交互体验。其中,开先KX-6000系列处理器可更好的满足移动平台设备的配置需要,性能相当于英特尔目前主流的第7代i5-7400水平。

目前,根据兆芯的内部文件显示,兆芯CPU产品内部迭代已经有五代。另外,自兆芯开先ZX-C实现量产以来,兆芯此前已与多家电脑厂商合作,其中包括台式机的联想开天系列、清华同方超翔系列、上海仪电智通秉时Biens系列等,一体机领域有昂达、技讯、联想开天、上海仪电智通秉时,服务器领域则有联想ThinkServer系列、中科曙光、光星高科、众新等。如今,兆芯发布KX-6000后将进一步攻入PC处理器市场。

与此同时,由于兆芯、中芯国际、华虹等企业推动,上海作为中国集成电路产业中心的地位进一步凸显。据上海市经信委主任吴金城透露,目前上海拥有集成电路企业约600家,从业人员近18万人,产业规模占全国的22%,涉及产品门类齐全,部分领域与国际同步,制造工艺进入14nm。上海成为国家集成电路产业链最完善、产业集中度最高、综合技术最先进的地区。

2018年10月,第20届上海工博会上,观众在现场体验基于兆芯CPU的整机

“冰与火”时代的多重挑战

在美国早年“制裁”中国超算以及“中兴”事件等后,中国愈发重视集成电路产业发展。其中在自主研发和技术引进双重路线下,中国已有多家CPU厂商。分指令集来看,华为海思、紫光展讯和飞腾部署ARM处理器,获得了ARM v8架构授权;龙芯、君正等专攻MIPS处理器,其中龙芯买断了MIPS指令授权。此外,申威系列处理器采用自主Alpha指令集,中晟宏芯获得IBM主导的Power 8架构授权,天津海光和上海兆芯则通过组建合资公司致力于国产x86处理器。

由此,对于兆芯的最大优势是什么?罗勇日前在4月底举办的北京国际互联网科技博览会上表示,兆芯首先是能借助现有的x86生态优势,对软件兼容性最好。其次,在产品方面,ZX-C系列是国内第一个完成28nm、2.0GHz主频的芯片,之后ZX-D系列首个支持DDR4。如今,ZX-E系列是国内第一个16nm、3.0GHz的单核芯片。再有,在技术上,兆芯是国内唯一的拥有CPU、GPU、芯片组三种IP的厂商。

值得一提的是,2016年6月,兆芯在国家十二五科技创新成就展中的宣传材料中表示,兆芯国产x86通用处理器性能从十二五初期的不足国际整体水准的10%提升到了80%。兆芯方面日前表示,开先ZX-C和ZX-D正在量产销售,2018年营收比2017年涨了3倍以上,预计2019年将有四五倍的增长。据悉,兆芯CPU目前主要应用在铁路基础设施、轨道交通、金融、电力、军工、保密和国密等领域。

兆芯副总经理罗勇博士

不过,在面临的挑战方面,罗勇指出,在研发中,兆芯首先遇到的最大挑战是人才。国内CPU方面的人才本身有限,且分散在众多企业及其它行业中,IC设计公司尤其存在吸引人才、留住人才难的问题。对此,兆芯正加大同各高校科研院所的合作。其次,本土产业链还有待完善。国产芯片在有些核心的EDA设计工具、知识产权、制造等受制于国外,这应当引起重视。国内产业链里的各环节需要相互辅助,仅凭自己一家做不大。

此外,他还提到,以往国家对国产CPU的支持缺乏一定的持续性,不少项目在一开始进行投入,后来因项目盈利能力无法跟上,便降低投入甚至停止投入。因此,去年中央将国产服务器CPU列入政府采购清单是一个很好的开始,政府要保持一定的政策强度。而在政策导向方面,建议政策的导向保持中立性、现实性,不能偏左或偏右。

兆芯目前同样面临国内外对手的挑战。一方面,在技术上,英特尔在5月底的台北国际电脑展上推出的8核16线程i9处理器单核性能即达到了5.0GHz;性价比上,兆芯相较英特尔同类型产品也无优势。兆芯还难以与其在市场上直面竞争。另一方面,根据曙光W330-H35工作站显示的海光Dhyana处理器信息,其主频可达到3.0-3.6GHz,提供多种规格4核及8核处理器。这也将对兆芯构成有力竞争。

此外,兆芯也需要面对授权及国际方面的压力。威盛的x86授权已到期约一年,而兆芯和威盛从2013年成立合资公司至今始终对x86授权模糊化处理,并未进行公开说明。鉴于英特尔严控x86技术授权以及威盛并未控股合资公司,威盛对兆芯的授权问题有待进一步披露。由此,英特尔的x86技术授权问题或对兆芯构成潜在影响。

不过,兆芯副总裁傅城博士曾明确表示授权问题影响不大。自2013年以来,兆芯基于X86架构做了很多新的工作,拥有了自主的知识产权。x86架构最早的指令集早已经过了十年的保护期,之前已经授权的内容将永久有效。另外,兆芯方面还曾提到,公司所有的通用处理器和芯片组全部由兆芯自主完成设计研发,且相关IP核100%自主研发,并具备CPU迭代能力。

兆芯开先KX-6000处理器性能测试

根据《微型计算机》杂志的测试,兆芯开先KX-6000与英特尔7代i5处理器处于同等水平。该芯片预计今年六七月量产且进入国内PC、超级本等市场,这将助力兆芯走向新的高度。另外,罗勇此前表示,现在兆芯的C、D、E系列服务器产品严格来说是存储服务器、微型服务器、边缘服务器等。预计两年后,兆芯将推出真正的服务器CPU,并涉足数据中心、超算用的超大型服务器。

然而,历史来看,当威盛、AMD成长到触动英特尔的“奶酪”时,英特尔会不遗余力的祭出专利大棒,这甚至一定程度导致了威盛的衰落和一蹶不振,而AMD凭借x86扩展指令集开发出64位处理器实现了和英特尔“共生”。这值得兆芯警惕、吸取。另外,兆芯在CPU升级迭代过程中,即便英特尔鉴于一些因素“罔顾”,也需要应对美国政府方面或突如其来的“调查”。

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来源:观察者网 | 责任编辑:陈兴华
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